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Aimant au néodyme et verre de spin

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Domaines micrométriques et aimantation
Dans un morceau de fer, il existe des milliards de très petites régions micrométriques appelées « domaines magnétiques » composés de milliards d’atomes de fer pointant leur spin parallèlement, dans le même sens. Chacun de ces domaines est ainsi ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

Image Vedecom - DR

Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron ...

Une forêt tropicale en Antarctique

Vue d'artiste de cette forêt (C) Alfred-Wegener-Institut, James McKay, Creative Commons licence C-BY 4.0
Un sol bien conservé

Des chercheurs de l'Institut Alfred-Wegener ont découvert un sol forestier du Crétacé très bien préservé dans les fonds marins proches du continent Antarctique. ...

COVID-19 : pistes thérapeutiques

© CDC/Dr. Fred Murphy/Sylvia Whitfield

La crise sanitaire qui touche actuellement le monde entier, avec l'épidémie de COVID-19 a déjà causé des dizaines de milliers de morts dans le monde. Les scientifiques se mobilisent pour contrer le plus rapidement possible le virus dévastateur. Traitements, vaccins, ...

La chimie ultrafroide

Les réactions chimiques, une histoire d’électrons

Lors d’une réaction chimique, des molécules appelées réactifs se rencontrent et forment des produits. Par exemple, lors d’une réaction bimoléculaire, deux réactifs A et B - atomes ou molécules - interagissent pour donner un produit C (ou plusieurs produits). Beaucoup moins fréquentes, il existe aussi des réactions monomoléculaires dans lesquelles une molécule M initiale se scinde en deux, ou bien ses atomes se redistribuent pour donner autre chose que M.

Une réaction chimique met toujours en jeu des électrons. Par exemple, dans une réaction bimoléculaire, A peut arracher un électron à B, ou les molécules peuvent mettre en commun un électron, le partager. De cette manière l’électron n’appartient ni à l’un, ni à l’autre mais aux deux. Cela crée une liaison entre A et B qui les rend « inséparables ». La liaison est alors dite « covalente ».

Souvent, un atome au sein d’une molécule va s’en séparer en défaisant une liaison covalente tout en engageant une nouvelle plus favorable, plus forte avec une autre molécule. Pour illustrer cela, prenons la réaction du dichlore Cl2 avec le dihydrogène H2 qui donne du HCl. L’atome chlore préfère engager une liaison avec un atome d’hydrogène qu’avec un atome de chlore. Il en de même pour l’hydrogène dont la molécule se défait pour se lier au chlore. La chimie est ainsi essentiellement une affaire de liaisons covalentes.

Refroidir pour mieux comprendre

Ces réactions sont partout présentes, de la respiration à la cuisine et à la photosynthèse en passant par toutes les industries chimiques… Comment au juste les liaisons covalentes se font-elles et se défont-elles ? En passant par quelles étapes, via quelles séquences ? Il s’agit là de questions dont les réponses sont mal connues. En effet, les chimistes connaissent bien le début et la fin de l’histoire, mais ce qui se passe entre est loin d’être maîtrisé, car cela ne dure que de l’ordre d’un millionième de milliardième de seconde ou femtoseconde (10-15s).

Pour y voir plus clair, il faut observer une réaction chimique au ralenti, c’est à dire à très basse température puisque la température est le reflet de la vitesse d’agitation atomique ou moléculaire. Cette étape vient d’être franchie par une équipe de l’université de Harvard aux USA et du laboratoire Aimé Cotton de l’université de Paris-sud.

La réaction mettait en jeu deux molécules de potassium rubidium, \( KRb \). La réaction s’écrit : \( 2 KRb \to  K_2 + Rb_2 \). Réalisée à 0,5 microkelvin, soit à peine au-dessus du zéro absolu (- 273,15°C), la durée de la réaction n’est plus la femtoseconde, mais de l’ordre de la microseconde soit un milliard de fois plus longtemps, une durée suffisamment longue qui a permis aux chercheurs d’observer l’état intermédiaire \( K_2Rb_2 \).

La chimie ultrafroide va permettre de mieux comprendre et mieux maîtriser les réactions et provoquer des réactions impossibles à température ambiante.

Publié le 09/04/2020

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Le matériau le plus noir du monde
Des chercheurs ont réussi a créer par hasard le matériau le plus noir au monde

Si vous pensiez qu’obtenir un noir intense était chose facile, vous vous trompiez. Depuis de nombreuses années, artistes et scientifiques cherchent la formule du véritable noir, ou du moins à s'en approcher. Par noir véritable, entendez une surface qui ne renverrait aucun rayon lumineux. Actuellement, tout objet de couleur noire est en réalité gris puisque la lumière n’est pas totalement absorbée et se reflète. C’est cette réflexion de la lumière qui rend possible la détection de relief dans des objets noirs comme les plis d’une chemise de couleur noire par exemple. En 2012, était créé le Vantablack capable d’absorber 99,965 % des rayons lumineux. Il restera le noir le plus intense jusqu'à septembre 2019. C’est un matériau capable d’absorber 99,995 % des rayons lumineux qui l’a détrôné. 

Le carbone allié inattendu :

Le nouveau matériau, comme le Vantablack avant lui, utilise une structure particulière lui permettant d’absorber les rayons lumineux. Cette structure, ce sont les nanotubes de carbone. Présents dans la nature, ils ont été synthétisés pour la première foi en 1993 par deux scientifiques distincts, Sumio Lijima et Donald S. Berthune. Les nanotubes de carbone sont une forme allotropique du carbone appartenant à la famille de fullerènes. Ils sont composés d’atome de carbones qui forment un tube parfois refermé à son extrémité par une demi-sphère. Ces structures dont la dimension est de l’ordre du nanomètre présentent de nombreuses propriétés comme une extrême résistance et une conductivité importante. De fait, les scientifiques les étudient depuis de nombreuses années. C’est par hasard que l’équipe du MIT a créé un matériau d’un noir ultra-profond en étudiant la pousse des nanotubes sur une feuille d’aluminium. 

Le principe

Les nanotubes de carbones sont disposés en « forêt », c’est-à-dire qu’ils sont alignés à la verticale resserré les uns entre les autres. Cette disposition permet de capturer la lumière et donc de minimiser la réflexion en créant des « pores » (espace entre les tubes). La découverte du matériau relève de la sérendipité. L’équipe ne cherchait pas à obtenir un noir 10 fois plus intense que le Vantablack, mais simplement à faire pousser des nanotubes de carbone sur de l’aluminium pour accroître ses propriétés conductrices et thermiques. La raison pour laquelle le matériau absorbe encore plus de lumière que ses prédécesseurs reste inconnue. Cela n’a pas empêché les artistes et les entreprises spécialisées dans le camouflage à s’intéresser au matériau. En effet, tout matériel recouvert par ce matériau perd pour l’œil humain tous ses contours. 

Applications futures :

Un artiste résident du MIT a déjà présenté une œuvre réalisée avec ce matériau. Il en a recouvert un magnifique diamant jaune naturel de 16,78 carats, le tout exposé sur un fond noir le faisant passer de visible à invisible. L’œuvre s’appelle « Redemption of vanity » et montre bien l’efficacité du matériau. 
Ces propriétés pourraient s'avérer très utiles à la conception de futurs télescopes, pour bloquer la lumière parasite qui entre dans les lentilles et ainsi améliorer la capacité de détection d'objets célestes.

 

 

Pour en savoir plus :

 

Communiqué de presse du MIT (en anglais) : http://news.mit.edu/2019/blackest-black-material-cnt-0913

Science et vie : https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/materiaux/un-materiau-plus-noir-que-noir_137329

Sur les propriétés absorbante des nanotubes de carbone (anglais) : http://www.physics.umd.edu/courses/Phys404/Anlage_Spring10/nl072369t.pdf

Sur les nanotubes de carbone : https://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotube_de_carbone

Sur le Vantablack : https://fr.wikipedia.org/wiki/Vantablack

 

Juliette Torregrosa
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